Vesícula sináptica - Synaptic vesicle

Vesícula sináptica
Sinapse diag1.svg
Neurônio A (transmitindo) para o neurônio B (recebendo).
1Mitocôndria ;
2 . Vesícula sináptica com neurotransmissores ;
3 . Autoreceptor
4Sinapse com neurotransmissor liberado ( serotonina );
5 . Receptores pós-sinápticos ativados por neurotransmissor (indução de um potencial pós - sináptico );
6Canal de cálcio ;
7Exocitose de uma vesícula;
8 . Neurotransmissor recapturado.
Detalhes
Sistema Sistema nervoso
Identificadores
Latina vesícula sináptica
A-dynamin-1 - dynamin-3 - and-clathrin-independent-path-of-synaptic-vesicle-recicl-mediated-by-elife01621fs001.jpg
Malha D013572
º H2.00.06.2.00004
Termos anatômicos da microanatomia

Em um neurônio , as vesículas sinápticas (ou vesículas neurotransmissoras ) armazenam vários neurotransmissores que são liberados na sinapse . A liberação é regulada por um canal de cálcio dependente de voltagem . As vesículas são essenciais para a propagação dos impulsos nervosos entre os neurônios e são constantemente recriadas pela célula . A área do axônio que contém grupos de vesículas é um terminal de axônio ou "botão terminal". Até 130 vesículas podem ser liberadas por botão ao longo de um período de estimulação de dez minutos a 0,2 Hz. No córtex visual do cérebro humano, as vesículas sinápticas têm um diâmetro médio de 39,5  nanômetros (nm) com um desvio padrão de 5,1 nm.

Estrutura

Neurônios primários do hipocampo observados aos 10 dias in vitro por microscopia confocal . Em ambas as imagens, os neurônios são corados com um marcador somatodendrítico, proteína associada a microtúbulos (vermelho). Na imagem da direita, as vesículas sinápticas estão manchadas de verde (amarelo onde o verde e o vermelho se sobrepõem). Barra de escala = 25 μm.

As vesículas sinápticas são relativamente simples porque apenas um número limitado de proteínas cabem em uma esfera de 40 nm de diâmetro. As vesículas purificadas têm uma proporção de proteína : fosfolipídeo de 1: 3 com uma composição lipídica de 40% de fosfatidilcolina , 32% de fosfatidiletanolamina , 12% de fosfatidilserina , 5% de fosfatidilinositol e 10% de colesterol .

As vesículas sinápticas contêm duas classes de componentes obrigatórios: proteínas de transporte envolvidas na captação de neurotransmissores e proteínas de tráfego que participam da exocitose , endocitose e reciclagem da vesícula sináptica .

  • As proteínas de transporte são compostas por bombas de prótons que geram gradientes eletroquímicos , que permitem a captação de neurotransmissores, e transportadores de neurotransmissores que regulam a captação real de neurotransmissores. O gradiente de prótons necessário é criado pela V-ATPase , que decompõe o ATP para obter energia. Os transportadores vesiculares movem os neurotransmissores do citoplasma das células para as vesículas sinápticas. Os transportadores vesiculares de glutamato , por exemplo, sequestram o glutamato em vesículas por este processo.
  • As proteínas de tráfico são mais complexas. Eles incluem proteínas intrínsecas de membrana , proteínas ligadas perifericamente e proteínas como SNAREs . Essas proteínas não compartilham uma característica que as tornaria identificáveis ​​como proteínas da vesícula sináptica e pouco se sabe sobre como essas proteínas são especificamente depositadas nas vesículas sinápticas. Muitas, mas não todas as proteínas das vesículas sinápticas conhecidas interagem com proteínas não vesiculares e estão ligadas a funções específicas.

A estequiometria para o movimento de diferentes neurotransmissores em uma vesícula é fornecida na tabela a seguir.

Tipo (s) de neurotransmissor (s) Movimento interno Movimento externo
norepinefrina , dopamina , histamina , serotonina e acetilcolina neurotransmissor + 2 H +
GABA e glicina neurotransmissor 1 H +
glutamato neurotransmissor - + Cl - 1 H +

Recentemente, foi descoberto que as vesículas sinápticas também contêm pequenas moléculas de RNA, incluindo fragmentos de RNA de transferência , fragmentos de RNA Y e mirRNAs . Acredita-se que essa descoberta tenha um amplo impacto no estudo das sinapses químicas.

Efeitos das neurotoxinas

Algumas neurotoxinas , como a batracotoxina , são conhecidas por destruir as vesículas sinápticas. A toxina do tétano danifica as proteínas de membrana associadas à vesícula (VAMP), um tipo de v-SNARE, enquanto as toxinas botulínicas danificam t-SNARES e v-SNARES e, portanto, inibem a transmissão sináptica. Uma toxina de aranha chamada alfa-Latrotoxina liga - se às neurexinas , danificando as vesículas e causando a liberação maciça de neurotransmissores.

Piscinas de vesículas

As vesículas no terminal nervoso são agrupadas em três piscinas: a piscina facilmente liberável, a piscina de reciclagem e a piscina de reserva. Esses pools são diferenciados por sua função e posição no terminal nervoso. O pool prontamente liberável é encaixado na membrana celular , tornando-o o primeiro grupo de vesículas a ser liberado na estimulação. A piscina facilmente liberável é pequena e se esgota rapidamente. O pool de reciclagem é próximo à membrana celular e tende a ser ciclado em estimulação moderada, de modo que a taxa de liberação da vesícula é a mesma ou menor que a taxa de formação da vesícula. Este pool é maior do que o pool prontamente liberável, mas leva mais tempo para ser mobilizado. A piscina de reserva contém vesículas que não são liberadas em condições normais. Este pool de reserva pode ser bastante grande (~ 50%) em neurônios cultivados em um substrato de vidro, mas é muito pequeno ou ausente em sinapses maduras em tecido cerebral intacto.

Fisiologia

O ciclo da vesícula sináptica

Os eventos do ciclo da vesícula sináptica podem ser divididos em algumas etapas principais:

1. Tráfego para a sinapse

Os componentes da vesícula sináptica são inicialmente trafegados para a sinapse usando membros da família motora da cinesina . Em C. elegans, o principal motor das vesículas sinápticas é UNC-104. Também há evidências de que outras proteínas como a UNC-16 / Sunday Driver regulam o uso de motores para transporte de vesículas sinápticas.

2. Carregamento do transmissor

Uma vez na sinapse, as vesículas sinápticas são carregadas com um neurotransmissor. O carregamento do transmissor é um processo ativo que requer um transportador de neurotransmissor e uma bomba de prótons ATPase que fornece um gradiente eletroquímico. Esses transportadores são seletivos para diferentes classes de transmissores. A caracterização de unc-17 e unc-47, que codificam o transportador vesicular de acetilcolina e o transportador vesicular GABA , foi descrita até o momento.

3. Docking

As vesículas sinápticas carregadas devem acoplar perto dos locais de liberação, no entanto, acoplar é uma etapa do ciclo sobre a qual sabemos pouco. Muitas proteínas nas vesículas sinápticas e nos locais de liberação foram identificadas, no entanto, nenhuma das interações de proteínas identificadas entre as proteínas da vesícula e as proteínas do local de liberação podem ser responsáveis ​​pela fase de acoplamento do ciclo. Mutantes em rab-3 e munc-18 alteram o encaixe da vesícula ou a organização da vesícula nos locais de liberação, mas não interrompem completamente o encaixe. As proteínas SNARE, agora também parecem estar envolvidas na etapa de acoplamento do ciclo.

4. Preparação

Depois que as vesículas sinápticas inicialmente se encaixam, elas devem ser preparadas antes que possam começar a fusão. O priming prepara a vesícula sináptica para que seja capaz de se fundir rapidamente em resposta a um influxo de cálcio. Acredita-se que essa etapa de preparação envolva a formação de complexos SNARE parcialmente montados. As proteínas Munc13 , RIM e RIM-BP participam deste evento. Acredita-se que Munc13 estimule a mudança da sintaxina t-SNARE de uma conformação fechada para uma conformação aberta, o que estimula a montagem de complexos v-SNARE / t-SNARE. O RIM também parece regular o priming, mas não é essencial para a etapa.

5. Fusão

As vesículas preparadas se fundem muito rapidamente em resposta às elevações de cálcio no citoplasma. Este evento de fusão é pensado para ser mediado diretamente pelos SNAREs e impulsionado pela energia fornecida pela montagem do SNARE. O gatilho da detecção de cálcio para esse evento é a proteína da vesícula sináptica de ligação de cálcio, sinaptotagmina. A capacidade dos SNAREs de mediar a fusão de uma forma dependente de cálcio foi recentemente reconstituída in vitro. Consistente com os SNAREs sendo essenciais para o processo de fusão, os mutantes v-SNARE e t-SNARE de C. elegans são letais. Da mesma forma, mutantes em Drosophila e nocautes em camundongos indicam que esses SNARES desempenham um papel crítico na exocitose sináptica.

6. Endocitose

Isso é responsável pela recaptação de vesículas sinápticas no modelo de fusão de contato total. No entanto, outros estudos vêm compilando evidências sugerindo que esse tipo de fusão e endocitose nem sempre é o caso.

Reciclagem de vesículas

Acredita-se que dois principais mecanismos de ação sejam responsáveis ​​pela reciclagem das vesículas sinápticas: fusão de colapso total e o método "beijar e correr". Ambos os mecanismos começam com a formação do poro sináptico que libera o transmissor para o espaço extracelular. Após a liberação do neurotransmissor, o poro pode se dilatar totalmente, de modo que a vesícula colapsa completamente na membrana sináptica, ou pode se fechar rapidamente e arrancar a membrana para gerar a fusão "beijo e corrida".

Fusão de colapso total

Foi demonstrado que períodos de estimulação intensa nas sinapses neurais empobrecem a contagem de vesículas, bem como aumentam a capacitância celular e a área de superfície. Isso indica que, depois que as vesículas sinápticas liberam sua carga útil do neurotransmissor, elas se fundem e se tornam parte da membrana celular. Depois de marcar as vesículas sinápticas com HRP ( peroxidase de rábano ), Heuser e Reese descobriram que porções da membrana celular na junção neuromuscular da rã foram captadas pela célula e convertidas de volta em vesículas sinápticas. Estudos sugerem que todo o ciclo de exocitose, recuperação e reforma das vesículas sinápticas requer menos de 1 minuto.

Na fusão de colapso total, a vesícula sináptica se funde e é incorporada à membrana celular. A formação da nova membrana é um processo mediado por proteínas e só pode ocorrer sob certas condições. Após um potencial de ação , o Ca 2+ inunda a membrana pré-sináptica. O Ca 2+ liga-se a proteínas específicas no citoplasma, uma das quais é a sinaptotagmina , que por sua vez desencadeia a fusão completa da vesícula sináptica com a membrana celular. Esta fusão completa do poro é auxiliada por proteínas SNARE . Esta grande família de proteínas medeia o docking de vesículas sinápticas de uma maneira dependente de ATP. Com a ajuda da sinaptobrevina na vesícula sináptica, o complexo t-SNARE na membrana, composto de sintaxina e SNAP-25 , pode encaixar, preparar e fundir a vesícula sináptica na membrana.

Foi demonstrado que o mecanismo por trás da fusão de colapso total é o alvo das toxinas botulínicas e do tétano . A toxina botulínica possui atividade de protease que degrada a proteína SNAP-25 . A proteína SNAP-25 é necessária para a fusão da vesícula que libera neurotransmissores, em particular a acetilcolina. A toxina botulínica essencialmente cliva essas proteínas SNARE e, ao fazer isso, evita que as vesículas sinápticas se fundam com a membrana sináptica celular e liberem seus neurotransmissores. A toxina do tétano segue um caminho semelhante, mas em vez disso ataca a proteína sinaptobrevina na vesícula sináptica. Por sua vez, essas neurotoxinas impedem que as vesículas sinápticas completem a fusão de colapso total. Sem esse mecanismo em vigor, podem ocorrer espasmos musculares, paralisia e morte.

"Beije e corra"

O segundo mecanismo pelo qual as vesículas sinápticas são recicladas é conhecido como fusão beijo e corrida . Nesse caso, a vesícula sináptica "beija" a membrana celular, abrindo um pequeno poro para a liberação de sua carga de neurotransmissor, fecha o poro e é reciclada de volta para a célula. O mecanismo de beijar e correr tem sido um tópico muito debatido. Seus efeitos foram observados e registrados; no entanto, a razão por trás de seu uso em oposição à fusão de colapso total ainda está sendo explorada. Especulou-se que beijar e correr é frequentemente empregado para conservar recursos vesiculares escassos, além de ser utilizado para responder a entradas de alta frequência. Experimentos mostraram que eventos de beijo e corrida ocorrem. Observado pela primeira vez por Katz e del Castillo, foi posteriormente observado que o mecanismo de beijo e corrida era diferente da fusão de colapso total em que a capacitância celular não aumentava em eventos de beijo e corrida. Isso reforça a ideia do estilo beijo e corrida, a vesícula sináptica libera sua carga útil e, em seguida, se separa da membrana.

Modulação

As células, portanto, parecem ter pelo menos dois mecanismos a seguir para a reciclagem da membrana. Sob certas condições, as células podem mudar de um mecanismo para outro. A fusão lenta, convencional e de colapso total predomina na membrana sináptica quando os níveis de Ca 2+ estão baixos, e o mecanismo rápido de beijo e corrida é seguido quando os níveis de Ca 2+ estão altos.

Ales et al. mostraram que concentrações elevadas de íons de cálcio extracelular mudam o modo preferido de reciclagem e liberação de vesícula sináptica para o mecanismo de beijo e corrida de uma maneira dependente da concentração de cálcio. Foi proposto que, durante a secreção de neurotransmissores nas sinapses, o modo de exocitose é modulado pelo cálcio para atingir as condições ideais para exocitose e endocitose acopladas de acordo com a atividade sináptica.

Evidências experimentais sugerem que beijar e correr é o modo dominante de liberação sináptica no início dos trens de estímulo. Nesse contexto, beijar e correr reflete uma alta probabilidade de liberação de vesículas. A incidência de beijo e corrida também é aumentada pelo disparo rápido e estimulação do neurônio, sugerindo que a cinética desse tipo de liberação é mais rápida do que outras formas de liberação de vesícula.

História

Com o advento do microscópio eletrônico no início dos anos 1950, descobriu-se que as terminações nervosas continham um grande número de vesículas elétron-lucentes (transparentes para os elétrons). O termo vesícula sináptica foi introduzido pela primeira vez por De Robertis e Bennett em 1954. Isso foi logo após a liberação do transmissor na junção neuromuscular da rã ter sido encontrada para induzir potenciais de placa terminal em miniatura pós - sináptica que foram atribuídos à liberação de pacotes discretos de neurotransmissor (quanta) do terminal do nervo pré-sináptico. Portanto, era razoável supor que a substância transmissora ( acetilcolina ) estava contida em tais vesículas, que por um mecanismo secretor liberaria seu conteúdo na fenda sináptica (hipótese da vesícula).

O elo que faltava era a demonstração de que o neurotransmissor acetilcolina está realmente contido nas vesículas sinápticas. Cerca de dez anos depois, a aplicação de técnicas de fracionamento subcelular ao tecido cerebral permitiu o isolamento primeiro das terminações nervosas ( sinaptossomas ) e, posteriormente, das vesículas sinápticas do cérebro dos mamíferos. Dois laboratórios concorrentes estiveram envolvidos neste trabalho, o de Victor P. Whittaker no Institute of Animal Physiology, Agricultural Research Council, Babraham, Cambridge, UK e o de Eduardo de Robertis no Instituto de Anatomía General y Embriología, Facultad de Medicina, Universidade de Buenos Aires, Argentina. O trabalho de Whittaker demonstrando acetilcolina em frações de vesículas de cérebro de cobaia foi publicado pela primeira vez de forma abstrata em 1960 e depois com mais detalhes em 1963 e 1964, e o artigo do grupo de Robertis demonstrando um enriquecimento de acetilcolina ligada em frações de vesículas sinápticas de rato cérebro apareceu em 1963. Ambos os grupos liberaram vesículas sinápticas de sinaptossomas isolados por choque osmótico . O conteúdo de acetilcolina em uma vesícula foi originalmente estimado em 1000–2000 moléculas. Trabalhos subsequentes identificaram a localização vesicular de outros neurotransmissores, como aminoácidos , catecolaminas , serotonina e ATP . Posteriormente, as vesículas sinápticas também podem ser isoladas de outros tecidos, como o gânglio cervical superior ou o cérebro do polvo . O isolamento de frações altamente purificadas de vesículas sinápticas colinérgicas do órgão de raio Torpedo elétrico foi um passo importante no estudo da bioquímica e função das vesículas.

Veja também

Referências

links externos